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单线通信的原理是什么？

单线通信的核心原理是将时钟信号与数据信号集成在同一条物理线路上传输，无需额外的时钟线（如 I²C 的 SCL），仅通过一根数据线的电平变化与时序约定，完成主控与从机之间的双向数据交互。

一、核心实现逻辑

1. 电平与时序的双重编码

   • 不同于 I²C 的 “时钟 + 数据” 双线分离模式，单线通信通过电平高低表示数据位（如高电平 = 1、低电平 = 0），通过电平跳变的时间间隔表示时钟同步。
   • 主控设备主动控制数据线的电平跳变，从机设备根据预设的时序规则，在电平跳变的特定时刻（上升沿 / 下降沿）采样数据，从而实现 “时钟自同步”。

2. 主从式通信架构

   • 单线通信为主从结构，只有主控设备能发起通信，从机设备被动响应（避免总线冲突）。
   • 通信前需通过时序约定 “唤醒” 从机，例如：主控拉低总线一段时间，从机检测到该信号后进入通信就绪状态。

3. 上拉电阻的关键作用

   • 数据线必须外接上拉电阻（通常 4.7kΩ~10kΩ），默认状态下总线为高电平。
   • 主控通过拉低总线发送信号，释放总线后，上拉电阻将总线拉回高电平；从机仅在特定时段（如应答阶段）短暂拉低总线，实现双向通信。

二、典型通信流程（以读数据为例）

以最经典的1-Wire 单总线协议（如 DS18B20 温度传感器）为例，流程如下：

1. 复位阶段

   • 主控拉低总线 480μs~960μs → 释放总线（上拉电阻拉至高电平）。
   • 从机检测到总线上升沿后，等待 15μs~60μs，然后拉低总线 60μs~240μs 作为应答信号。
   • 主控检测到总线被拉低，确认从机在线。

2. 命令与地址阶段

   • 主控发送ROM 命令（如读从机地址，8 位）和功能命令（如启动温度转换，8 位）。
   • 每发送 1 位数据，主控拉低总线 1μs~15μs，然后释放总线：
     • 发送 0：拉低总线保持 60μs~120μs 再释放；
     • 发送 1：拉低总线 1μs~15μs 后立即释放。
   • 从机在主控拉低总线的下降沿采样数据。

3. 数据传输阶段

   • 从机向主控返回数据时，主控先拉低总线 1μs~15μs 作为读时序起始。
   • 从机通过拉低总线表示 0，释放总线表示 1，主控在时序中间点采样电平。

三、单线通信的核心优势与局限性